從理論上講，量子計算機在計算速度上遠優于經典計算機。蘇黎世聯邦理工學院超級計算專家Torsten Hoefler說，為了讓他們在實踐中實際計算得更快，需要更多的高速算法。
量子計算機承諾它們可以比經典計算機更快地解決一些計算問題。這在多大程度上是真實的，或者至少是現實的？
Torsten Hoefler：總的來說，這種說法是正确的。量子計算機實際上可以比經典計算機更快地解決一些計算問題。我想說，他們實際上能夠将計算時間從幾十年或幾年減少到幾個小時甚至幾分鐘。這是真的，但對于所有的計算問題來說并不現實。
量子計算機不擅長哪些問題？
Torsten Hoefler：例如，如果我們想更快地進行天氣預報或氣候模拟，那麼我還不知道如何用量子計算機顯著加速這些應用。我也不知道今天量子計算機如何顯著加速機器學習。此外，對于湍流中的流動動力學，在可預見的未來，我們可能無法利用目前的量子算法獲得實際優勢。
您是否看到量子計算機可以在不久的将來展示其優勢的基礎研究或工業應用領域？
Torsten Hoefler：到目前為止，我們确信量子計算機與大量研發領域極為相關。我正在考慮諸如破解基于質因數分析的著名密碼方法之類的問題。或者當涉及到以非常高的精度模拟化學系統時，量子計算具有巨大的改進潛力。
此外，量子計算對于基于量子現象模拟材料特性、未來新藥、發明新肥料或了解生物系統如何運作等研究領域非常有前途。在所有這些領域，量子計算機都可以在加速計算方面發揮關鍵作用。
但這仍然是未來的願景嗎？
Torsten Hoefler：是的，但即使量子計算還不能應用于這些領域的所有未決問題，我們清楚地看到了一種可以更好地發揮量子計算機潛力的方法。但是，這并不适用于所有算法。你不能隻采用任何算法，在量子計算機上運作它，計算就會自動變得更快。原則上，量子計算機可以解決任何計算問題，但其應用的關鍵問題是它們在實踐中比經典計算機更快或更便宜地解決了哪些問題。
您在多大程度上修正了量子計算機總是比經典計算機快的假設？
Torsten Hoefler：一些人認為量子計算機從根本上來說速度更快，因為它們能夠以更少的平方步驟解決許多問題。但是單個量子計算步驟比經典計算步驟慢得多。由于疊加、幹涉或糾纏等量子力學原理，解決給定問題所需的計算步驟更少。這就是為什麼量子計算機承諾比經典計算機更快地解決某些問題。然而，如果認為量子計算機可以比傳統計算機更快地解決任何問題，那将是一個謬論。
這是為什麼？
Torsten Hoefler：在目前量子計算機的設計中，每個計算步驟都比相應的經典計算步驟慢。這是由于糾錯的高複雜性和量子計算的各個步驟。此外，傳統的資料處理行業60年代以來一直在進步技術，是以速度極快。如今，一台經典的計算機每秒可以執行數百萬到數十億步。另一方面，量子計算機每秒隻能執行數十萬到數百萬步。是以，量子計算機并不總是優越的。我們試圖反駁這種包羅萬象的量子優越性的錯誤觀點。但我非常樂觀地認為，我們将建造可靠的量子計算機。
你在研究中得到了什麼科學發現？量子計算機在哪些類型的問題上最有可能更快？
Torsten Hoefler：我們将市場領先的經典晶片的性能與優化設計的量子晶片的性能進行了比較，每個晶片都針對相同的問題。在這樣做的過程中，我們是第一個确定量子計算機實作真正的速度優勢到底需要什麼的人。我們的分析表明，對于幾乎所有算法，經典計算機對于非常小的問題規模更快，而量子計算機對于非常大的問題規模更快。這是因為與經典計算機相比，在量子計算機上解決某些問題所需的時間随着問題規模的增加而增長得更慢。
我們也看到，對于小資料的大計算問題，量子計算機一般速度更快，更實用，但對于大資料問題就不實用了。由于輸入和輸出帶寬有限，大量資料是經典計算機計算速度更快的問題。此外，經典計算機還可以比量子計算機更快地解決資料庫中的搜尋問題。是以，量子計算機在大資料方面被不公平地炒作。
您的一項發現是，“平方加速”不足以讓量子計算機真正發揮其潛在的速度優勢。
Torsten Hoefler：在我們的研究中，我們表明平方加速通過對算法的運作時間求平方根來減少計算時間，在可預見的未來不足以實作實際的量子優勢。
我們看到，如果隻實作二次方的速度提升，很多問題的量子計算仍然需要幾個月的時間。實際上，這太慢而且太昂貴。由此我們推斷，至少需要基于三次方根和四次方根的三次或四次加速度，因為隻有這樣才能進行數千或數百萬次算術運算。但即使是三次或四次加速度也隻是最低要求。
有必要關注指數加速度，其中量子算法的運作時間是經典算法運作時間的對數。是以，最有希望實作真正實用的量子優勢的候選者是小資料集和指數加速的問題。
要實作真正的高速量子計算，需要采取哪些不同的措施？
Torsten Hoefler：新型量子算法是加速量子計算的關鍵。如果不對算法進行重大改進，即使是一些經常被引用的應用程式也不太可能在實踐中真正帶來量子優勢。從實用的角度來看，當今可用的大多數量子算法都無法真正加速量子計算。即使我們知道三次、四次或指數算法比二次算法更能加速量子計算，但實際情況仍然是這樣的，到目前為止我們還不知道很多這樣的加速算法。
目前，許多量子加速算法都基于二次“量子加速”，它建立在著名的 Grover 算法之上。我們認為開發更多 Grover 風格的算法是不夠的。為了開發真正使計算速度更快的新量子算法，研究需要集中在實際使更快的量子計算成為可能的算法上。否則，量子計算機将無法超越最快的經典計算機。
計算機科學家需要什麼才能真正加速量子計算？
Torsten Hoefler：我們必須發明新穎的高速量子算法。最大的挑戰是，我們目前隻有少數基本量子算法，如Grover算法或Shor算法，它們廣泛用于化學或密碼學。開發新的基本算法非常困難。由于量子力學是一個複雜的數學概念，了解如何将其轉化為有用的量子算法是一項艱巨的任務。根據經驗，大約每十年開發一種基本算法。
量子算法開發的下一步是什麼？
Torsten Hoefler：我們需要更多的計算機科學家和數學家來研究新的量子算法。到目前為止，很難找到優秀的量子算法科學家。
這篇文章于5月26日釋出在蘇黎世聯邦理工學院官網上。
DOI:10.1145/3571725